CN102905515B - 用于估计液体的张力、势和活度的二面体传感器 - Google Patents
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Abstract
在二面体传感器系统中，两个平板被附接成二面角，使得边缘和弯液面之间的距离（L）以及弯液面上的板之间的距离（a）是二面角（α）的正切的函数。因此，对于纯水，张力（Ψ）等于势（T）并且由T=-2б/[Ltg(α)]给出，其中，б是水的表面张力。为了测量土壤水分张力，系统被连接到多孔元件，并且传感器的边缘被直接压靠根和其他植物器官。另一方面，在边缘位于离样本数微米的情况下测量水势，并且当几乎达到了蒸气压力和温度平衡条件时，响应在交换了数皮升水之后发生。使用滑动计直观地测量0和0.3MPa之间的水张力，并且可以使用显微镜将读数扩展到3.0MPa附近。还可通过向传感器中的水添加已知数量的适当的溶液分子来测量对应于小于-3.0MPa的水势的水活度。
Description
技术领域
根据液体在固定成二面体的两个板之间的聚集来测量水张力和水势的二面体传感器。原则上，该系统可用于水和其他液体。在测量水活度或水势时，该系统促进了蒸气－压力平衡所需的热平衡。与这不同，在水张力的测量中，由于通过被压靠样本的传感器边缘的液相的连续性而发生了水在样本和二面体传感器之间的移动，因为这个原因，在这种情况中，对于温度的控制很不关键。在土壤中，应当优选地通过测量多孔元件来操作该系统，该多孔元件过滤并促进水在土壤和二面体传感器之间的输送。在具有测微目镜的显微镜中进行植物中的高达3.0 MPa的水张力和水势的测量。用尺子或滑动计来直观地进行土壤中的零和0.3 MPa之间的水张力的测量。二面体传感器系统的定性和定量的应用包括操作田地和罐子中的灌溉以及生理学研究，并且可适用于全部的器官和部分。
背景技术
水活度和水势根据下面的公式1彼此相关：
Ψ=(RT/Vw)Ln(aw) [1]，
其中，Ψ是水势（Pa），R是气体常数（8.3145jK-1mol-1），T是开尔文温度，Vw（1.8 10-5 m3）是水的偏摩尔体积并且aw是水的活度，其可被当作是与样本的平衡的相对湿度的百分数。
水活度的估计是非常重要的，例如在食品技术中以及在存储谷物时。对于大量的这些产品，储存有效寿命和质量本身取决于水活度，水活度被用作控制参数。
然而，对于植物生理学以及对于操作土壤中的水，通常而言，水势及其细分分量的概念相比相对湿度和水活度的概念更加常用。水势被定义为水的化学势和偏摩尔体积之间的关系。结果，水势可被简单地处理为每单位面积的力，也就是说压力。因此，水势定位是压力分量的总和。在这些中间，在植物中，下面的是重要的：渗透分量（Ψs），在渗透分量的情况下，通过溶质的聚集，细胞将水吸入自身中；重力势（H），水为了在土壤中的根和叶子及其他空中的器官之间移动而要克服的高度；细胞中的肿胀压（Ps），由于渗透势以及细胞膜和壁导致的结果；以及木质部和植物质外体（apoplasma）中的水张力，在其基质中，由生长和蒸腾调节的压力差决定了流体在土壤和植物的每个器官之间输送的速度。
术语“张力计”可用于指示用于测量土壤或植物中的水张力分量的仪器。各种类型的张力计应用在诸如植物生理学、灌溉操作和地质学的分支中。另一方面，用于测量水活度、平衡相对湿度和水势（公式1）的仪器可被初步称为湿度计，并且它们的应用从纯粹的实践应用到涉及诸如植物生理学和食品技术领域中的科学的更加精细的应用。
Slavick修订了构造和使用张力计和湿度计以便研究植物的生态生理学的经典技术中的大多数（Methods of studying plant water relations, Springer, New York, Springer, 1974, ISBN 0-387-06686-1），并且关于食品中的水活度，Zapata等人简要介绍了几种常用方法（Bol. SBCTA, v30, n. 1, pp 91-96, 1996）。
用于灌溉操作的普通张力计（Soil Science, v. 53, pp 241-148, 1942）由多孔容器构成，该多孔容器具有填充有水的腔，被气密地连接到真空计。其工作范围从零压力到大气压力，但是在实践中，其主要用在零和70kPa之间。普通张力计的最广泛用途是作为灌溉操作中的参考仪器。进而，普通张力计的最大局限是栓塞的出现，也就是多孔容器的腔中容纳的水中的空气的聚集。空气的这种逐渐聚集导致张力计失去响应速度并且经历最大工作张力的相对降低，而空气的所聚集的体积在传感器腔中增加。为了使张力计再次工作而需要的维护是打开盖子，添加水，关闭它并且等待动态平衡的新响应。这看上去是容易的维护，但是考虑到传感器需要在低维护或无维护的情况下操作，该工作已经成为普通张力计用于自动化中的极大障碍。
可以用Ridley和Burland在1993年开发的张力计（Géotechnique, v. 43, pp 321-324, 1993）来测量高于大气压力的单位水张力，其高达1500kPa或更高。该高性能张力计的原理类似于普通张力计，不同之处在于其所具有的腔具有在高起泡压力的多孔元件（电子压力换能器）上的减小的体积，并且在于其在高压舱中被预水合到超过4000kPa达至少24小时以便溶解气泡。在其测量的高水压力角度看，其是高性能仪器。然而，其是不稳定的仪器，在至多数小时的操作之后，其操作经常被栓塞的出现而中断。当所测量的水张力比大气压力单位高得多时，相比普通仪器所经历的，在该仪器中，栓塞具有大得多的混坏性和瞬时效果。尽管有该局限，但这对于需要测量大范围的水张力中的土壤的机械性质的地球物理学者和工程师而言是有价值的系统。
文件BR PI 0004264-1中描述了没有栓塞局限性的用于测量水张力的系统。在该系统中，具有填充有空气但没有水的腔的多孔容器承受空气压力，从而通过参数pB（起泡压力）和迫使气体穿透多孔元件的壁所需的空气压力（p）之间的差来测量水张力。具有适合于不同农业应用和不同系统使用的仪器的性质的多孔元件是可商购的。
大多数用于测量土壤中的水张力的仪器被在具有多孔膜或盘的压力室中计量，所谓的Richards室（Soil Science, v. 51, pp 377-386, 1941）。在该压力室中，水被迫通过多孔膜流出设备，研究样本（通常为土壤）搁置在多孔膜上。水张力的平衡时间取决于多个因素，其中重要的是土壤层的厚度和膜的起泡压力。处于平衡中的水张力等于所施加的空气压力。该仪器已经主要用于建立水分和土壤中的水张力之间的曲线，所谓的滞留曲线和体积－压力曲线。然而，这是一种计量装置，不是水张力传感器。作为一个局限性，高张力的调整太慢，因为土壤的水力传导性随着水张力以指数关系减小。
为了保存谷物和各种食物产品，必须将水活度保持成对应于基质势并且总的水势大大高于3.0MPa（aw>0.98）。例如，处于吸湿平衡的具有50％相对湿度的谷物可具有aw=0.50以及96MPa的水势。为了计量这些测量水活度的仪器，使用具有盐溶液的吸湿平衡的技术以及用于准备参考相对湿度的仪器。Greaves在1991年发明了使用吸湿盐来调整处于受控压力下的室中的相对湿度的简单系统，并且描述在文件GB 2255190中。其他公认的用于计量湿度计的国际系统是：1）两个压力的空气的气态混合物，一个是饱和的并且另一个是测量的，二者均处于等温环境；2）两个温度的空气的混合物，一个是饱和的更加减小的，并且另一个是更高的测量的；3）重力系统，其中，已知质量的水在已知体积的容器中蒸发并且被精细地调整温度（PI BR 0104475-3）。
水活度或平衡相对湿度是关于食物保存的主要变量（Bol. SBCTA, v.30, pp91-96, 1996）。用于确定食物中的水活度的方法是不同的并且包括：
a）重力方法，其基于确定食物或土壤在等温条件下与参考饱和盐溶液的平衡期间的干燥（解吸）或加湿（吸附或吸收）曲线。由于器官或样本单元的尺寸增大，该方法的速度快速地降低，并且取决于材料，可能需要花费数星期或甚至数月。该方法需要在严格受控的温度下使用，以便防止水冷凝。另外，所采用的饱和溶液应当优选地以实际上独立于温度的方式（也就是说，以小的热系数）调整水活度。由于该方法涉及长时间的等待，其仅仅用于极小易腐食物，而这是各种种子的情形。
b）等压过程涉及浸泡在不同的饱和参考盐溶液中的过滤纸条。这些条被称重并且与产品一起放置在室中达24至48小时。每个条可能获得或损失质量，这取决于其水活度高于或低于样本的水活度。因此，通过使用图形插值，人们估计样本的水活度，其中，浸泡在充分盐溶液中的条不会经历质量变化。该方法具有良好的质量和低成本，但却是涉及“尝试”的过程并且被认为是慢方法。
c）利用由例如纤维素或酪蛋白制成的参考吸收材料的传感器的平衡方法涉及从标准盐溶液初步建立关于传感器质量和水活度的校准曲线。然后，吸收材料的传感器被与样本放在一起并且在24至48小时之后，人们确定其最终平衡质量，小心防止水的任何损失直到称重。然后，根据传感器质量通过使用校准曲线来计算水活度。该技术用于甜点并且可用于水活度在0.8至0.99的植物器官。这是一种低成本和有趣的方法，精度在水活度的0.002单位的量级上。其也是慢方法，其响应稳定性取决于吸收材料。该技术的重要局限性在于其不适合于接近零的水活度。
d）如1931年的文件GB 344341所描述的用于测量相对湿度的纤维湿度计是简单且实际的。然而，这些仪器需要经常校准，因为例如像脱脂毛发之类的纤维随着时间过去而失去它们的弹性。而且，这些仪器并没有特别为测量食物中的水活度而建造。
e）电阻电子湿度计通常由倒置材料的叶片制成，其例如涂覆有氯化锂的吸湿层。在这些系统中，导电率作为空气的相对湿度的函数而变化。该类型的装置的精度在aw的0.005单位的量级上。根据文件US 05533393中的描述，Bonne等人在1996年开发了稳定的快速响应微传感器，用于基于氯化锂的吸湿性来测量绝对单位和露点温度。这些电阻装置的当前精细度可能高，如可以在具有多孔元件和加热的电阻传感器中观察到的，在文件Speldrich WO2005/121781中描述的，其中，多孔元件的电子加热蒸发了冷凝的水滴并且还使得能够确定高于100％的相对湿度。然而，电阻装置的响应趋向于例如由于稀释或由于离子在惰性基质上的聚集而恶化。
f）第二类电子湿度计是那些电容性的，其使用相比空气而言高介电常数的水蒸气。这些系统中的一个具有积聚的复杂度以便改善精度，其描述在文件US 5922939中。总体而言，这些是绝对湿度传感器，其快速地响应并且需要热校正来测量相对湿度。另外，它们趋向于在测量接近饱和的相对湿度时不敏感。总体而言，电容传感器恰与电阻传感器一样也需要经常校准。
g）用于测量水活度的露点温度方法通常需要测量例如热电偶表面或冷却的镜面上的温度。如果冷却的表面被杂质污染以及在存在易挥发物质的情况下，露点系统还可能产生水活度的错误估计。通常，该基于露点温度的仪器相比电阻湿度计以及电容湿度计而言更加稳定并且较少遭受干扰。
h）在心理测量学方法中，具有湿球的温度计的温度以及参考的干球温度计的温度被用于估计水活度。通常，湿球由于通过施加电流而使水在冷却表面上的先前冷凝（Peltier效应）而变潮湿。
在测量水活度的仪器中，那些被认为是最好的仪器是那些根据水在干净和吸水表面开始冷凝时的温度使用露点方法的仪器。Campbell在1974年开发了一种基于热电偶和Pelier效应的湿度计，用于测量溶液和植物样本的同渗重摩、水活度或水势。文件US 3797312中描述了在露点下并且在湿球的智力测验器模式中使用该仪器的装置、电子器件和方法。所描述的设备的性质之一是便携性并且其不需要精密的热浴系统以便测量植物和溶液的小样本中的水活度。在心理测量学模式中，在水冷凝后形成的湿球的温度以及参考干球的温度被用于估计水活度。使用露点方法的其他装置使用镜子，如文件US 6926439中描述的Zlochin（2005）的装置的情况，其中，镜子总是没有由空气带来的杂质并且被用于露点方法的应用中。Zlochin争辩说露点方法的一个大问题是由空气携带的杂质的累积。去除这些杂质是困难的，因为需要经常清洁冷却的表面，从而使得测量质量不会受到损害。
根据Campbell & Lews (1998)，在文件US 5816704的通过露点方法测量水活度的系统中，并且在使用该原理的其他系统中，由公式Erro 2 = 2 r a w / s给出估计露点温度时的误差，其中，r是叠层的电阻（s m-1），a是饱和蒸气压力和温度之间的斜率，w是以g m-2 s-1为单位的冷凝率，并且s是以g m-3为单位的饱和蒸气浓度。从该公式可以明显看出，为了测量而减小叠层和冷凝水的量的方法还减小了估计露点温度时的误差并且增大了仪器的响应速度。
不同于最开始考虑的土壤的情况，用于测量植物中的水张力的装置的开发更加稀少，尽管成为基本的变量来解释汁液的升高。在现有技术中，最广泛使用的用于测量植物中的水张力的方法是Scholander压力室（Proceedings National Academy of Sciences USA, v. 52, p. 119-125, 1964）。为了使用，叶子例如被固定到密封橡胶的孔口，从而叶柄可穿过气密地封闭该室的盖子。在测量时，室中的气体压力缓慢增加，直到第一液滴通过叶柄倾泻。然后，在该条件下，所施加的气体压力被作为叶子中的水张力的刺激物。然而，在现有文献中，在该方法的有效性上存在有争议的观点，其弱点在于其不具有计量形式。尽管这样，并且甚至涉及毁坏性采样，Scholander压力室仍然是用于研究植物中的水关系的最广泛使用的仪器。
还通过将毛细管插入木质部罐中来测量植物中的水张力（Plant Physiology, v. 61, pp 158-163, 1978）。然而，该方法（所谓的压力探针方法）是极端困难的、实验室性质的并且无法测量植物中的高于800 kPa的张力。在通过使用压力探针和Scholander压力室的植物中的水张力的比较测量中，另外，结果并不总是在误差幅度内相等的。
在本发明中，描述了用于测量水势、水张力和水活度的简单方法，其可通过不同过程的校准来计量。在测量水张力时，本发明的系统不遭受栓塞问题，张力计的一种典型问题。为了测量水势，该系统可使用接触微室而呈现快速热平衡。在测量土壤中的水张力时，其通过在0至0.3MPa的范围内简单地使用滑动计而使得能够进行读数。可以用显微镜在零和0.3MPa之间测量水势。另外，在植物中，在显微镜下，通过整平而将传感器抵靠样本所测量的水张力是与水势的测量在同一量级上。
发明内容
本发明的二面体板系统使得能够在二面体和样本之间的输送通过液相进行时进行水张力的线性测量，并且同样，通过使用样本和二面体传感器之间的借助于气相的水输送来实施该系统中的水势的线性测量。为了测量水势，二面体边缘被定位在离样本数微米处。在二面体中，由于弯液面的移动，该角度使得可探测到数皮升的蒸发。这样，通常在数分钟内探测到水与样本的平衡。在测量土壤中的水张力时，被二面体交换的水体积大得多，在微升的量级上，以便使得能够用滑动计来直观地估计。对于土壤，板被固定到适当的多孔元件上。该多孔元件可具有表面或者插入限定的深度。板之一的外面可被涂黑以便有助于辨别弯液面，其分开边缘侧的填充有水的较深条和离开边缘的填充有空气的较透明范围的条。在测量中，边缘和弯液面之间获取的距离L乘以二面体正切角（α）等于板之间的间距a。这样，如果二面体容纳了纯水，则水张力（Ψ）和水势（T）是相等的并且由公式Ψ = T = -2б/[Ltg(α)]给出，其中，б是以Nm-1为单位的水的表面张力。在用滑动计读数时，测量从零至0.3MPa的水张力，而在显微镜下读数时，测量从零至3.0MPa的水张力和水势。
附图说明
图1是由吸水玻璃板制成的二面体传感器的示意图，其用于根据顶点和弯液面之间的距离来测量水张力，A－前视图，B－顶视图。
图2示出了由透明吸水玻璃板制成的二面体传感器，其用于测量土壤中的水张力，包含由可渗透水泥联接的多孔元件，A－盘状多孔元件，用于表面测量，B－细长多孔元件，用于插入土壤中。
图3是显微镜中的二面体传感器，其具有用于平衡水－蒸气压力的微室，以促进测量水势和水活度时所需的水－蒸气压力的快速平衡和定位。
图4示出了二面体传感器，其具有可移动板以使得能够进行清洁。
图5示出了二面体，其侧面被密封以通过在板之间施加空气压力来测量水张力。
图6示出了在测量诸如水果匀浆和果冻的流体的水势期间吸湿平衡室内的二面体传感器。
图7示出了用于将已知体积的溶液施加到二面体传感器的系统。
图8示出了具有孔口和固体介质的吸湿物质的系统，用于用二面体传感器来估计水活度和相对湿度的测量。
图9示出了在负压的Richards室内调整的水张力和二面体传感器的读数之间的曲线。
图10示出了参考水活度和用二面体传感器计算的水活度的曲线，在NaCl溶液的帮助下进行该测量。
图11示出了对于二面体传感器的水势平衡的响应，该二面体传感器的边缘处的20μm压靠胡萝卜根表面的表面。
图12示出了胡萝卜根的质量和用二面体传感器测量的水势。
具体实施方式
在本发明中，一种由玻璃或精细多孔材料制成的固定成二面体（图1，1和2）的平面且吸水板的系统被用于测量土壤、植物和食品中的水势的水张力和其他分量。本文示出的处于其最简单形式（图1）的该二面体传感器使得能够根据处于平衡条件的弯液面4的位置来测量水张力、水势和水活度。板的材料、读数附件、测量范围、外部疏水涂层的可能性以及二面体传感器的尺寸根据使用目的来限定。
根据图1，从二面体板1、2，至少上板1应当优选地为透明的，以便促进观察水7和弯液面4的位置。为了理解不同的用途，另一方面，下板2可以是透明的、黑色的、镜状的或者多微孔的。
应当优选地用固定在多孔元件9上的二面体系统来进行土壤中的水张力的测量，如图2所示。在该情况中，二面体传感器被用多孔水泥8固定到多孔元件9。如果二面体传感器被固定到盘状多孔元件9，则其对于测量植物罐的土壤的表面的水张力而言是理想的（图2A）。另一方面，为了测量特定深度中的水张力，二面体传感器需要被固定到细长多孔元件9上，如图2B所示，其侧壁可被制成为不可渗透的，直到期望的读数深度。多孔元件应当具有适合于该传感器所考虑的操作范围的孔隙率和起泡压力，或者临界工作压力。
为了测量植物中的水张力和水势，应当在显微镜13的帮助下使用二面体传感器（图3A）。为此目的，二面体被支撑在块体15上以便进行操作。在所示的简单布置中，平行六面体19上的产品和平面基座上的光源20通过在滑动基座18上滑动而移动。为了测量水张力，二面体传感器的“边缘”被压靠具有高水力传导性的植物样本（例如，根），从而植物中的水张力将通过直接地同相输送水而决定二面体传感器中的水张力。在该应用中，二面体传感器使得能够以尚未由现有系统实现的方式来测量植物中的水张力。水势的读取需要略微不同的步骤，其中，边缘被接近直到数微米，然而不搁置抵靠样本。在该系统中，水通过样本和传感器之间的边缘的交换通过气相进行。该气相的水交换应当通过数微米的非常纤细的停滞空气层进行，其中，快速地实现了热和吸水平衡条件。在水势的测量中，切割和抛光玻璃的二面体传感器的使用是非常有用的，该二面体传感器形成了压靠植物器官11的微室12（图3b）。通过将具有前面抛光的玻璃板连结起来而形成了微室，这促进了测量水活度所需的水－蒸气压力和温度的平衡。在该微室中，气相的水交换从边缘3开始发生，边缘3处于有利于快速加热和水平衡的条件，甚至不需要求助于精密热控制。抛光板还促进了例如通过摩擦将疏水涂层施加到二面体传感器的侧面。该疏水涂层是有价值的，例如用于防止水通过玻璃表面泄漏，这趋向于延迟系统的响应。
操作和显微镜使用
图示的辅助操作附件（图3）可具有聚醛树脂主体，具有滑动基座18、竖直支撑17和上支撑或台16。为了操作，生物样本（例如，根）在塑料块21的帮助下被放置在适当高度的平行六面体19上。平行六面体19优选地由诸如聚醛树脂的塑料构成，以促进在基座18上的平滑的滑动，甚至不需要使用润滑剂。在竖直方向，聚醛树脂块15移动直到适当高度并且然后通过螺钉固定位置。
光源20通过在二面体下面滑动而定位，从而水/空气弯液面4将在显微镜13下通过透明性而被观察到。另一方面，显微镜13在螺纹或齿条上竖直移动以便进行聚焦。为了促进观察和测量弯液面4和边缘3之间的距离L而进行的显微镜的水平移动根据微调器具22而进行，微调器具22使显微镜支撑14在台16上移动。用于这些测量的显微镜目镜应当优选为测微目镜。
板的固定
图1示出了用胶水6固定的二面体板。对于该组件，已知厚度的后间隔件5被放置在板2上。用针尖施加非常小部分的胶水。放置板1，并且施加紫外辐射以便使胶水硬化。
当用在土壤和衬底中（图2）时，二面体的板和多孔元件9通过多孔水泥8用下述程序连结：初步地沿着长度在胶带的帮助下将板1和2固定到后间隔件5。然后，将具有水泥和水物质的组件放置在预先湿润的多孔元件9上。玻璃板和多孔元件9之间的多孔水泥层8应当非常薄。水泥的固化在托盘上进行达数天的时间，托盘在底部具有一层水。在固化之后，去除用于玻璃板的初步固定的带，并且仔细地清洗二面体传感器的外表面，以从玻璃去除附着于其上的水泥和胶带颗粒。
在使用中，其中可能清洁二面体传感器的内表面，该系统可如图4所示地被组装。在该情况中，二面体的玻璃板1、2被胶粘到更大柔性的板23、24，例如“硬”PVC。在板23上固定导引螺钉25，导引螺钉25的杆从玻璃板2附近的孔升起。上柔性板24接收一孔，用于导引螺钉25在上玻璃板1附近自由地穿过。另外，上柔性板24在后面接收螺纹孔，玻璃板的移动螺钉27拧入其中。在该系统中，后间隔件5还用于定位构成了高度限制器26的螺钉。
为了用压缩空气直接计量系统的估计以及为了二面体传感器以张力计模式工作，系统组件可以是图5的类型。在该形式中，用高粘性树脂胶粘玻璃板的侧面，高粘性树脂在固化期间不会透过板1和2之间。玻璃板2中的穿孔被用作用于空气－压力调整管28的入口，空气－压力调整管28还连接到压力计29。在该情况中，水张力由公式2给出：
T = Tr–p [2]，
其中，Tr是用于当边缘暴露于自由的水时在参考位置调整弯液面的空气压力，p是测量所需的空气压力，并且T是样本的估计的水张力。
另一种制备二面体的方式是玻璃盖下面的布置，如图6所示。该类型的二面体传感器组件对于测量生物流体、甜食以及植物和动物组织匀浆中的水活度是有价值的。然而，用该类系统进行的测量是较低的并且需要良好的等温浴。
水张力
可以用下面的公式计算张力T，水在该张力T的情况下被保持在二面体传感器的板之间：
T = -2б/a [3]，
其中，б是实验温度下的水表面张力并且a是弯液面线4中的板1、2之间的间距，以米为单位。当板上的润湿角（□）高于零时，公式3应当通过将公式3所得的T乘以cos□来修正。在本文考虑的用于高吸水玻璃和陶瓷板的应用中，cos□的值将被认为等于1.00。另外，对于在低水张力下的灌溉操作，还可能有必要进行针对多孔元件9中的毛细上升的修正。
公式3可被修改，从而将间距a表示为从弯液面线到边缘的距离L（以米为单位）的函数，已知的是a = L (tg α)。通过将该值替换公式3中a的，即得到：
T = -2б/[L(tg α)] [4]。
在板的长度为60mm且宽度为30mm的系统中，板在边缘相遇并且在后间隔件5上被分开50μm，后间隔件5被固定成距离边缘3为50mm，则计算得到每毫米的距离L，板之间的间距a增加1μm。如果L是30mm宽，并且认为20℃时的水表面张力（б）为0.0728 N m-1，则用关系T = -2б/a计算的与传感器平衡的土壤中的水张力为4853 Pa或4.85 kPa。如图2所示构造的二面体中的板的系统适合于与衬底使用并且使得能够测量2.91kPa和29.1kPa之间的水张力，而弯液面位置从2.91kPa的水张力情况下的罐衬底中的距离L1＝50mm到更干燥衬底中的L2＝5mm，其中，水张力已经达到29.1kPa。明显地，该传感器还使得能够测量更高的水张力，但为此目的，需要使用放大玻璃。
对于田地研究，其中感兴趣的是测量更高的水张力，间隔件5可以具有更低的厚度，例如10μm。这样，每毫米的水平距离（图1），板之间的间距a将仅增加0.2μm。在这种规格下，二面体中的板的系统适合于测量五倍于前面所述的水张力，也就是说，其使得能够测量从14.6kPa到145.6kPa的水张力，而根据公式1和4，干燥期间的弯液面的距离L被从50mm降低到5mm。
如图2所示的联接到多孔元件9的二面体传感器以及普通张力计需要高修正，考虑到二面体传感器之间的水力连通，在其上，水力传导多孔元件9打开以便与土壤接触。当应当被维持在衬底中的张力降低时，该需求变得更加重要，张力降低例如发生在罐中的植物的灌溉操作时。
多孔元件上的传感器
二面体传感器与土壤或植物的直接接触引入了颗粒，颗粒在板之间的聚集损害了响应。为了减小该问题并且为了确保土壤和二面体传感器之间的有效水力连通，二面体可借助于多孔水泥8被固定到多孔元件9。多孔元件9对水进行过滤而多孔水泥8是水力连通的。从几何的观点看，当传感器准备好搁置在衬底上（例如在植物根上）时，多孔元件可以是陶瓷盘，或者当该二面体传感器需要插入土壤中以便估计更大深度中的水张力时，多孔元件可以是圆柱杆。
植物罐通常具有小的深度，从而它们应当被填充有粗纹理的衬底。在粗纹理的衬底中，在浇水之后，较大的孔保持填充有空气，不像细纹理衬底，细纹理衬底在罐中完全填充有水。衬底或土壤颗粒之间的空气对于氧气继续供给细胞是重要的，从而根可以呼吸。这样，在保持水方面不力的罐衬底和沙质土壤中，应当施加灌溉时的临界张力低，通常低于10kPa。如果等到衬底干燥到超过那一点，则在该大颗粒衬底中，植物将不再有充足量的水以供吸收。因此，在该类应用中，在所考虑的规格中，二面体传感器将在一旦镖条（其对应于距离L）变得低于14mm则指示应当进行灌溉。
为了测量特定深度的水张力，例如20cm，细长杆形状的多孔元件9应当涂覆有漆或绝缘带直到所提及的深度，以便确保与土壤的水交换将会在该深度中或者在感兴趣的深度范围中发生。
在多孔元件9的情况下，测量所涉及的水体积的总变化是容纳在二面体传感器中的水的变化加上容纳在多孔元件9中的水量的变化。对于高水张力，在多孔元件中的水力传导性不取决于水张力的情况中，多孔元件中的水体积的变化由水的压缩性乘以水张力变化的乘积给出。该近似对于快速获得系统的半响应时间估计是有价值的。然而，从实际的观点看，小时量级的响应类型是足够的且容易获得的，这一事实极大地促进了用二面体传感器在灌溉操作中测量水张力。
替代的读数
在将空气管28引入穿过板2并且气密地横向封闭二面体传感器（图5）的情况下，可以通过使用公式2来测量水张力。然而，对于二面体传感器而言，关系T = Tr–p（公式2）的使用不同于文件中BR PI 0004264-1所描述的，因为在二面体传感器中，测量是在没有通过空气的情况下进行的，而在文件BR PI 0004264-1中，测量是在用空气透过多孔元件的情况下进行的。关于具有气密横向封闭（图5）的该系统的另一个有趣特征是其可能用作用于测量不仅水的而且任何其他液体的表面张力的仪器。
另外，如文件BR PI 0004264-1中教导的，二面体传感器可工作，似乎其是用于测量水张力的多孔元件。然而，为此目的，图5的板应当接收另外一个孔，在该情况中是布置在离开边缘距离L的排气孔10。仍然在该应用中，本发明的二面体系统与BR PI 0004264-1不同之处在于可以通过简单地定位空气排口10而限定临界张力Tr或pB。
一种更精密形式的使用例如光学干涉来定位弯液面的位置还可证明为在测量高水张力时是有价值的，在测量高水张力时，间距a在可见光波长（400至700nm）的量级上。
水张力的校准
在表1中示出了在20o时对于tg(α) =0.001情况下的水张力、水体积以及二面体传感器的距离L的预期响应。这些土壤和衬底中的响应可在Richards负压室的帮助下被比较和评估。在该方法中，人们调整到土壤细层的水张力并且评估针对该参考方法在二面体传感器中获得的读数，如图9所示。
表1：在二面体角的tg(α)等于0.001时考虑的板之间的间距a、水张力T、到边缘的弯液面距离L、植物之间容纳的水体积以及平衡水活度。针对20℃时的实验，其中б=0.0728 N m-1。
对于高于本地大气压力单位的水张力，可以在普通Richards室（也就是正压Richards室）中进行评估。在该情况中，取决于所使用的膜，一旦施加在Richards室中的压力恢复到零，就可能出现回弹误差。可通过使用更厚的土壤层来消除该问题，从而不会在Richards室打开和其内的土壤表面上的二面体传感器的平衡读数之间的时间段内发生显著的回弹。
水张力测量中的局限性
二面体传感器的功能（公式3和4）取决于水表面张力（б），而б作为温度的函数线性地减小。这样，如果知道0℃时的水表面张力为0.0756 N m-1并且其在40℃时减小到0.0696 N m-1，则可以计算其在任何温度时的值，直到表面张力变得无意义。从0到40℃的水表面张力的微小变化是有利的特征，因为对于较低压力的应用而言，通常可考虑环境为等温的，即使发生了在5或10℃量级的温度变化。
另外，水表面张力受表面活性剂的影响，例如洗涤剂、尿素和一些污染物，其导致该仪器在土壤和被污染的衬底上的应用中的读数误差。另一方面，用作肥料的盐对于水表面张力的影响几乎可忽略不计，因此不是误差的重要起因。
在灌溉操作中，从水保持曲线的观点看，水表面张力的变化被自动地校正，因为表面活性剂、温度和水表面张力的影响总是与这些因素对土壤或衬底保持水的能力的影响成比例。因此，可能添加的肥料，尤其是粘合剂和其他物质，在降低土壤或衬底中的保持水的力的表面活性剂作用的情况下，也将对二面体传感器的读数具有成比例的影响。结果，参数L是比水保持本身更加健全的指数，来充分地代表被保持在土壤中的水的量。从另一方面，从恢复仪器响应的观点看，已知仅仅清洁恢复了（即使暂时地）这些被污染的系统中的校正水保持响应。
溶液和水活度
图7的溶液施加器使得能够将非常小的已知体积的溶液收集到二面体传感器。溶液施加器按照如下方式工作：将施加器尖端32放置在溶液33中；固定在软木31上的毛细施加管的填充是自发的，也就是说是通过毛细作用进行的。随后在指定位置通过挤压活塞30进行溶液的施加。
所收集的溶液的体积在使用抛光板12的情况下（图3B）可被直接施加到边缘上，抛光板优选地应当让它们的外表面被疏水物质覆盖。替代地，板可在边缘附近包含倾斜的切口或孔以促进溶液的透过。而且，图4所示的二面体开放系统的使用可以是有趣的，其中，板被分开以便溶液的施加。
在已经引入一定体积的溶液后，还已知由下式给出渗透势（Ψs）：
Ψs = -n R T /V = RTC0 [5]，
其中，V是被容纳在板之间的水的体积，并且n是被溶解在水中的以摩尔为单位的分子数量，并且C 0 是所添加溶液的摩尔浓度。另一方面，被容纳在二面体中的水的体积V，通过宽度的cm，可表示如下：
V = 0.005 L2 tg α [6]，
其中，L是从弯液面到边缘的距离，并且α是二面体板或仅二面体之间的角度。如果水张力由于在二面体传感器上非常小而可被忽略，则总的水势Ψ将仅仅取决于渗透势（公式5）。因此，通过将代表Ψ的表达式除以根据公式1和5的代表Ψ0的表达式，则得到：
aw = aw0 V 0 /V [7]。
通过将公式6的V代入公式7中，得到公式8，其代表了作为板中所容纳的水叶片的长度L的函数的水活度。
aw = aw0 (L0/L)2 [8]。
类似地，通过将公式6的V代入公式5中，得到：
Ψs = -n R T/ (0.005 L2 tg α) [9]。
因此，如果渗透势在Ψs0和Ψs之间变化，则根据公式7得到：
Ψs = Ψs0 (L0/L)2 = Ψs0 (C0/C)2 [10]，
其中，C是给定时刻的板之间的溶液浓度。
然后，可通过将公式4加入公式10中来得到总的水势，还考虑将水保持在板之间的张力。
Ψw = Ψs0 (C0/C)2 – 2 б / [L tg(α)] [11]。
水势的测量中的总平衡时间（图11）很大程度上取决于边缘和样本之间的热平衡，不过如前所述，其还可取决于水在传感器外表面上的吸收。理想地，在外表面中没有吸收的情况下，在样本表面和二面体传感器的边缘表面之间的温度具有差异且该差异在□0.001℃的量级的情况下，如果在图3所示的指示性几何结构中样本和二面体传感器之间的距离短于30μm，可在数分钟内获得动态热平衡。
当使用公式10和11来测量Ψw和Ψs时需要记住的重要特征是被添加到传感器的溶液的体积的大多数在施加后的数秒内蒸发。这样，应当根据二面角α来估计L0的值，如表1所示。
理论上，考虑用于测量水活度的公式10和11也可用于测量其他易挥发物质的活度，例如乙醇，其具有亲和性并且润湿传感器的内表面。
水活度和势的响应和评估
图8示出了一系统，其具有孔35和固体颗粒的吸水衬底34，吸水衬底34浸渍有已知水活度的吸水物质，通过该系统计量由二面体传感器实施的水活度和相对湿度的测量。因此，校正组件是具有盖37的盒36，包含具有已知水活度的吸水衬底34和孔35，二面体边缘3被设置到其中以使得能够获得计量水活度或水势所需的吸水平衡。这是耐久且牢固类型的校准器。该计量器的灵活性源自可用于获得具有参考水活度的大气的物质的范围（Windyon & Hates, Ecology, v. 41, p. 232-237, 1060）。
通过如所描述的（公式8和10）使用该盐溶液（NaCl），可在宽范围的水活度中进行测量，如图10所示。这类测量对于在经处理的食物（例如甜食）上使用是重要的。
在用二面体传感器测量水活度和水势时，在使用或不使用板之间的溶液的情况下，一个重要的特征是平衡时间。在确定植物（例如胡萝卜根）中的水势的实验中，传感器的典型时间响应是图11所示的类型。这些响应时间与传感器的每单位长度所交换的水体积成比例，并且与二面体传感器的边缘3和植物器官11的表面之间的距离的平方成比例。水力传导性和测量开始时产品中存在的水势的内部梯度可能导致水势或水活度的测量中的额外延迟。
在研究水势时，其可在不使用二面体板之间的盐溶液的情况下实现，对于诸如胡萝卜根的产品，所测量的作为水损失的函数的水势的预期结果是图12所示的类型。
其他局限性和潜力
二面体传感器中的缺陷是问题并且同时是需要，从而水能够流动并且仪器能够工作。如果板是完美的，如名称二面体的类比所建议的，则二面体传感器将直接无法工作，因为该边缘将会完美地不可透过液体或气体。因此，所使用的板的粗糙度和平滑度应当适应于所致力于的应用。因此，临界张力高于2.0MPa的多孔元件板和平的普通玻璃板适合于大多数土壤中的水张力应用。然而，当表面缺陷已经应当低于100nm时，需要更大的完美度和平滑度的材料用于高达3.0MPa量级的水势和水张力的更高测量。
具有吸水外表面的二面体传感器可由于至少两个原因而构成可能的问题：第一，吸水表面是水分子层沉积的位置，其可延迟水势测量中的平衡，正如其在其他系统中发生的那样；第二，由于外表面是吸水的，它们可能是用于二面体内所容纳的水或溶液的排道或出口路径。这二面体中存在溶液的具体情况中成为问题，因为例如被放置成用于监测空气中的水活度的溶液可能迁移到传感器的外表面上。结果，对于不能发生这些现象的特定应用而言，二面体外表面需要具有疏水分子的涂层，其防止极性溶液的吸附和表面逸出。
不同于通过表面冷却进行的露点湿度测定系统，本发明的系统极不易于被来自空气的杂质浸渍其表面。这是因为空气主要通过扩散而进入二面体，这降低了杂质污染的速度。该问题在具有侧面气密封闭的二面体传感器中尤其更小。然而，在所有实施例中，可能存在由于被污染水的移动以及通过易挥发有机杂质而造成的污染。
第二特征在于边缘表面的温度可通过Peltier效应来调整并通过使用热电偶来测量，如在隧道显微镜中使用的。这些改进可通过将适当的金属沉积到玻璃表面上来获得。因此，向本技术的品质添加了测量较低水活度或仅仅生产初始冷凝水以便系统在监测水活度时的操作的可能性。
如果系统是气密的并且弯液面位置由于所施加的气体压力而被保持在参考位置，则该方法将会是等压平衡的方法，也就是具有恒定重量，在平衡中，二面体中所容纳的水物质在测量期间保持不变。该等压条件使得能够更快速地监测小生物样本的水势并且对水势的影响更小，小生物样本对于水的绝对量的变化更加敏感。
Claims (12)
1.一种用于估计液体的张力、势和活度的传感器，其特征在于其由两个板即上板（2）和下板（1）构成，上板（2）使得来读取弯液面（4）的位置，二者被固定成固定角度α的二面体，其边缘（3）具有在此类板之间的结合部，提供与样本的薄接触开口的构成。
2.如权利要求1所述的用于估计液体的张力、势和活度的传感器，其特征在于其借助于其边缘（3）被显著地联接到用于与样本直接接触的多孔元件（9）。
3.如权利要求2所述的用于估计液体的张力、势和活度的传感器，其特征在于其呈现用于与样本直接接触的多孔元件（9），多孔元件（9）是细长的并且设置有侧壁，侧壁在其顶部区域是不可透过的并且在其远侧部分是可透过的。
4.如权利要求1所述的用于估计液体的张力、势和活度的传感器，其特征在于其具有二面体板（1、2）之一中的至少一个孔（10），至少一个孔（10）处于对应于特定临界张力的位置，用于通过空气流或气流通过测试来直接测量液体张力。
5.一种用于估计液体的张力、势和活度的传感器，其特征在于其由固定成固定角度α的二面体的两个板（1、2）构成，其边缘（3）代表在此类板之间的结合部，提供与样本接触的薄开口，并且还包括气密封闭的侧面以及与边缘（3）相对的区域中的开口，通过该开口，传感器的内部与设置有压力计（29）的压力调节器连通。
6.如权利要求1或权利要求5所述的用于估计液体的张力、势和活度的传感器，其特征在于其包括在边缘（3）的形成的界面处的导角板（1、2）中的至少一个，从而使得能够形成二面体传感器中的前凹面微室（12）。
7.一种用于测量液体的张力、势和活度的方法，其特征在于，利用固定角度α的二面体执行如下步骤：
（i）建立二面体传感器的边缘（3）和样本之间的直接或间接接触；以及
（ii）在实现平衡之后，在从边缘（3）的垂直距离（L）处读取弯液面（4）的位置；以及
（iii）基于垂直距离（L）计算所期望的未知量。
8.如权利要求7所述的用于测量液体的张力、势和活度的方法，其特征在于其包括施加已知体积的已知浓度的溶液（33），并且通过垂直距离（L）的变化相比通过采用传感器板（1、2）之间的纯水更减小地测量水（7）活度。
9.如权利要求8所述的用于测量液体的张力、势和活度的方法，其特征在于所述溶液（33）为NaCl溶液。
10.如权利要求7所述的用于测量液体的张力、势和活度的方法，其特征在于其包括步骤：所述二面体传感器能够测量液体中的表面张力，该液体具有对二面体传感器的板（1、2）的内表面的亲和性。
11.如权利要求7所述的用于测量液体的张力、势和活度的方法，其特征在于其包括步骤：所述二面体传感器能够测量易挥发液体的活度，该液体具有对二面体传感器的板（1、2）的内表面的亲和性。
12.如权利要求7所述的用于测量液体的张力、势和活度的方法，其特征在于其包括步骤：所述二面体传感器能够进行等压操作，也就是通过使侧面不透水，节省边缘（3），来维持弯液面（4）位置通过二面体的内部压力的气动变化固定，以便在二面体中的恒定体积时测量水（7）张力和水（7）势并且计量垂直距离（L）对比所施加的压力。
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